ITMI990744A1 - METHOD TO INCREASE THE PRODUCTIVITY OF THIN LAYER LAYING PROCESSES AND GETTER DEVICES FOR THE REALIZATION - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: DESCRIPTION of the industrial invention entitled:
“METODO PER AUMENTARE LA PRODUTTIVITÀ DI PROCESSI DI DEPOSIZIONE DI STRATI SOTTILI SU UN SUBSTRATO E DISPOSITIVI GETTER PER LA REALIZZAZIONE DEL METODO” "METHOD TO INCREASE THE PRODUCTIVITY OF THIN LAYER DEPOSITION PROCESSES ON A SUBSTRATE AND GETTER DEVICES FOR THE IMPLEMENTATION OF THE METHOD"
La presente invenzione si riferisce ad un metodo per aumentare la produttività di processi di deposizione di strati sottili su un substrato e ai dispositivi getter per la realizzazione del metodo. The present invention relates to a method for increasing the productivity of processes for depositing thin layers on a substrate and to getter devices for carrying out the method.
I processi di deposizione di strati sottili su substrato trovano ampia applicazione in vari settori industriali. Per esempio, questi processi sono alla base della produzione di circuiti elettronici integrati (indicati nel settore anche come ICs); dei supporti per la memorizzazione di informazioni, come i CD (in cui un sottile strato di alluminio viene depositato su un substrato di una plastica trasparente) o gli hard-disk dei computer (in cui su un supporto generalmente di alluminio viene depositato un materiale magnetico); degli schermi piatti; infine, i processi di deposizione di strati sottili sono impiegati nel settore emergente dei dispositivi micromeccanici, prodotti con tecniche del tutto analoghe a quelle impiegate nella produzione di ICs. The processes of deposition of thin layers on substrate find wide application in various industrial sectors. For example, these processes are the basis of the production of integrated electronic circuits (also referred to in the sector as ICs); media for storing information, such as CDs (in which a thin layer of aluminum is deposited on a substrate of a transparent plastic) or computer hard-disks (in which a magnetic material is deposited on a generally aluminum support ); flat screens; finally, the processes of deposition of thin layers are used in the emerging sector of micromechanical devices, produced with techniques completely similar to those used in the production of ICs.
I principali processi industriali di deposizione di strati sottili sono la deposizione chimica da fase vapore e la deposizione fisica da fase vapore, meglio note nel settore rispettivamente con le definizioni inglesi “Chemical Vapor Deposition” e “Physical Vapor Deposition”, o con gli acronimi “CVD” e “PVD”. The main industrial processes of thin layer deposition are chemical vapor deposition and physical vapor deposition, better known in the sector respectively with the English definitions "Chemical Vapor Deposition" and "Physical Vapor Deposition", or with the acronyms " CVD ”and“ PVD ”.
Nei processi CVD due o più specie gassose vengono fatte reagire in una camera evacuata in cui è presente un substrato; nella reazione si forma un prodotto solido che si deposita sul substrato sotto forma di uno strato sottile. La pressione a cui deve essere evacuata la camera può variare sensibilmente in diversi processi CVD; alcuni di questi (definiti a bassa pressione o ad ultra alto vuoto) possono richiedere evacuazioni iniziali della camera a valori di pressione di 10<- >- 10 mbar; nel seguito, con l’indicazione di processi CVD ci si riferirà sempre a questi ultimi. In CVD processes, two or more gaseous species are reacted in an evacuated chamber in which a substrate is present; in the reaction a solid product is formed which is deposited on the substrate in the form of a thin layer. The pressure at which the chamber must be evacuated can vary significantly in different CVD processes; some of these (defined as low pressure or ultra high vacuum) may require initial evacuations of the chamber at pressure values of 10 <-> - 10 mbar; in the following, with the indication of CVD processes we will always refer to the latter.
Con la sigla PVD si indicano in realtà una serie di possibili tecniche alternative. Tutte queste tecniche hanno però in comune le seguenti caratteristiche: The abbreviation PVD actually indicates a series of possible alternative techniques. However, all these techniques have the following characteristics in common:
- per la produzione dello strato sottile viene impiegato un bersaglio (comunemente indicato nel settore con la dizione inglese “target”) del materiale che si vuole depositare, avente generalmente la forma di un basso cilindro, che viene posizionato nella camera di fronte al substrato e parallelo a questo; - for the production of the thin layer a target is used (commonly referred to in the sector with the English term "target") of the material to be deposited, generally having the shape of a low cylinder, which is positioned in the chamber in front of the substrate and parallel to this;
- la camera viene prima evacuata ed in seguito riempita con un’atmosfera di un gas nobile, generalmente argon, ad una pressione di 10 - 10<- >mbar; applicando una differenza di potenziale di qualche migliaio di volt tra i supporti del substrato e del target (di modo che quest’ultimo si trovi a potenziale catodico), nella zona tra substrato e target si crea un plasma di elettroni e ioni Ar<+>; questi ioni vengono accelerati dal campo elettrico verso il target causandone l’erosione per impatto; le specie (generalmente atomi o “grappoli” di atomi) derivate dall’erosione del target si depositano sul substrato (così come sulle altre superfici disponibili) formando lo strato sottile. - the chamber is first evacuated and then filled with an atmosphere of a noble gas, generally argon, at a pressure of 10 - 10 <-> mbar; by applying a potential difference of a few thousand volts between the substrate and the target supports (so that the latter is at cathodic potential), a plasma of electrons and Ar <+> ions is created in the area between the substrate and the target ; these ions are accelerated by the electric field towards the target causing erosion by impact; the species (generally atoms or "clusters" of atoms) derived from the erosion of the target are deposited on the substrate (as well as on other available surfaces) forming the thin layer.
Ogni processo può comprendere più fasi di deposizione di strati sottili, ed esistono anche processi ibridi, che comprendono sia operazioni di CVD che di PVD. Each process can include multiple steps of thin layer deposition, and there are also hybrid processes, which include both CVD and PVD operations.
È noto che le proprietà dei dispositivi a strato sottile, particolarmente nel caso degli ICs, dipendono fortemente dalla presenza di difetti all’ interno degli strati depositati. Questi difetti sono dovuti soprattutto alla presenza di atomi di specie chimiche diverse da quelle che compongono lo strato. Di conseguenza, è necessario ridurre al minimo le possibili fonti di contaminazione in tutte le fasi del processo, impiegando reagenti della massima purezza possibile (gas reattivi nel caso del CVD e il target nel caso del PVD) e assicurando la massima pulizia di tutte le superfici presenti nella camera di processo e dell’ atmosfera di lavoro. It is known that the properties of thin-layer devices, particularly in the case of ICs, strongly depend on the presence of defects within the deposited layers. These defects are mainly due to the presence of atoms of chemical species other than those that make up the layer. Consequently, it is necessary to minimize possible sources of contamination at all stages of the process, using reagents of the highest possible purity (reactive gases in the case of CVD and the target in the case of PVD) and ensuring maximum cleanliness of all surfaces. present in the process chamber and in the working atmosphere.
Inoltre, anche se è possibile realizzare la deposizione simultaneamente su più substrati (sia nel caso di CVD sia di PVD), la tendenza deH’industria è verso processi a substrato singolo che consentono un miglior controllo delle caratteristiche del deposito. Furthermore, even if it is possible to carry out the deposition simultaneously on multiple substrates (both in the case of CVD and PVD), the trend of the industry is towards single substrate processes that allow better control of the characteristics of the deposit.
Per soddisfare le esigenze sopra esposte, i processi di deposizione di strati sottili vengono svolti in sistemi costituiti da almeno una camera, ma generalmente comprendenti più camere, ognuna destinata ad un’operazione specifica; per esempio, si hanno camere di processo vere e proprie, in cui si svolgono le operazioni di deposizione, o camere di condizionamento, impiegate per esempio per pulire o riscaldare i substrati prima della deposizione. Nel seguito, le camere di processo e quelle di condizionamento verranno indicate genericamente come camere di trattamento. Nel caso di più camere queste possono essere disposte in linea, collegate tra loro direttamente; in alternativa, più camere di trattamento possono essere disposte intorno ad una camera centrale di trasferimento. Ogni camera è collegata a quelle contigue tramite valvole, che sono normalmente chiuse e vengono aperte solo per permettere il trasferimento dei substrati da una camera all’altra durante le varie fasi del processo. To meet the above needs, the deposition processes of thin layers are carried out in systems consisting of at least one chamber, but generally comprising several chambers, each intended for a specific operation; for example, there are real process chambers, in which the deposition operations take place, or conditioning chambers, used for example to clean or heat the substrates before deposition. In the following, the processing chambers and the conditioning chambers will be generically referred to as treatment chambers. In the case of several chambers, these can be arranged in line, directly connected to each other; alternatively, several treatment chambers can be arranged around a central transfer chamber. Each chamber is connected to the contiguous ones via valves, which are normally closed and are opened only to allow the transfer of substrates from one chamber to another during the various stages of the process.
Per garantire la massima pulizia possibile, in generale tutte le camere sono mantenute sotto vuoto, con i migliori valori di vuoto nelle camere di deposizione. La movimentazione dei substrati tra camere successive viene realizzata tramite mezzi automatizzati, generalmente bracci meccanici. In un semplice esempio di funzionamento di un sistema di processo (del tipo a camere disposte intorno ad una di trasferimento), i substrati vengono introdotti in una prima camera airinterno di apposite cassette, sulle cui pareti interne sono presenti linguette che hanno lo scopo di mantenere i substrati separati tra loro, per semplificare le operazioni di movimentazione automatizzate. In questa prima camera viene fatto un vuoto di circa 10<-5 >- 10<-6 >mbar e viene aperta una valvola che mette in collegamento questa camera con una camera di trasferimento; un braccio meccanico preleva un substrato dalla cassetta e lo sposta nella camera di trasferimento, dove la pressione è a livelli inferiori a quelli della prima camera, generalmente di circa 10<-7 >mbar; viene poi aperta ima seconda valvola, che mette in comunicazione la camera di trasferimento con una camera di processo, il substrato viene portato nella posizione in cui avverrà la deposizione e la camera viene chiusa tramite la seconda valvola. Dopo la deposizione dello strato sottile, il substrato ricoperto può poi essere trasferito, sempre con bracci meccanici e attraverso camere di trasferimento, all’ esterno del sistema o ad un’altra camera dello stesso. To ensure the maximum possible cleanliness, in general all chambers are kept under vacuum, with the best vacuum values in the deposition chambers. The movement of the substrates between successive chambers is carried out by automated means, generally mechanical arms. In a simple example of operation of a process system (of the type with chambers arranged around a transfer chamber), the substrates are introduced into a first chamber inside special cassettes, on whose internal walls there are tabs which have the purpose of maintaining substrates separated from each other, to simplify automated handling operations. In this first chamber a vacuum of about 10 <-5> - 10 <-6> mbar is created and a valve is opened which connects this chamber with a transfer chamber; a mechanical arm picks up a substrate from the cassette and moves it to the transfer chamber, where the pressure is at levels lower than those of the first chamber, generally of about 10 <-7> mbar; a second valve is then opened, which puts the transfer chamber in communication with a process chamber, the substrate is brought to the position in which the deposition will take place and the chamber is closed by means of the second valve. After the deposition of the thin layer, the coated substrate can then be transferred, again with mechanical arms and through transfer chambers, outside the system or to another chamber of the same.
Idealmente, i sistemi di deposizione di strati sottili dovrebbero sempre essere mantenuti isolati dall’atmosfera. Le camere di trattamento devono però essere aperte periodicamente per operazioni di manutenzione delle attrezzature automatizzate, di pulizia delle superfici interne o, nel caso del PVD, per la sostituzione del target quando questo è esaurito o si deve depositare un materiale diverso. Ad ogni apertura la camera viene portata a pressione ambiente, e le sue pareti interne, le superfici delle attrezzature presenti e la superficie del target adsorbono i gas atmosferici, particolarmente vapor d’acqua; questi gas vengono poi rilasciati in camera durante le fasi produttive. L’equilibrio tra il flusso di degasaggio dalle superfici e la velocità di rimozione di gas delle pompe durante i processi produttivi determina la pressione base del sistema. Per migliorare queste pressione base, tipicamente le camere vengono sottoposte, dopo ogni apertura, a pompaggio sotto riscaldaménto a temperature di circa 100 - 300 °C (fase definita nel settore con la dizione inglese di “baking”). Lo scopo di questo trattamento è di aumentare il degasaggio di tutte le superfici presenti nella camera, e di rimuovere la maggior quantità possibile dei gas inizialmente adsorbiti su queste superfici; tale rimozione è tanto più efficace quanto maggiore è la velocità del pompaggio durante il baking. In questo modo vengono ridotti la quantità residua di gas adsorbiti e, di conseguenza, il flusso di degasaggio durante le fasi produttive; a parità di velocità di pompaggio durante la produzione si ha quindi una più bassa pressione base della camera, e di conseguenza una minore quantità di impurezze nell 'atmosfera di lavoro. Dopo il baking, viene proseguita l’evacuazione; la pulizia delle camere viene considerata accettabile per l' inizio di un nuovo ciclo di deposizioni quando la pressione raggiunge un valore prefissato, in genere compreso tra circa 10<-7 >e 10<-9 >mbar. Nel caso di PVD, la pulizia della superficie del target viene realizzata sottoponendolo ad un trattamento in cui si effettua la stessa operazione di deposizione impiegata per la fase di produzione, scartando però i substrati così ricoperti; questa fase di condizionamento del target viene indicata nel settore con la definizione inglese “bum-in”. Ideally, thin layer deposition systems should always be kept isolated from the atmosphere. However, the treatment chambers must be periodically opened for maintenance of the automated equipment, cleaning of the internal surfaces or, in the case of the PVD, for the replacement of the target when it is exhausted or a different material needs to be deposited. At each opening, the chamber is brought to ambient pressure, and its internal walls, the surfaces of the equipment present and the surface of the target adsorb atmospheric gases, particularly water vapor; these gases are then released into the chamber during the production phases. The balance between the degassing flow from the surfaces and the gas removal rate of the pumps during the production processes determines the base pressure of the system. To improve these base pressures, typically the chambers are subjected, after each opening, to pumping under heating at temperatures of about 100 - 300 ° C (phase defined in the sector with the English term "baking"). The purpose of this treatment is to increase the degassing of all the surfaces present in the chamber, and to remove as much as possible of the gases initially adsorbed on these surfaces; this removal is all the more effective the greater the pumping speed during baking. In this way, the residual quantity of adsorbed gases and, consequently, the degassing flow during the production phases are reduced; with the same pumping speed during production there is therefore a lower base pressure of the chamber, and consequently a lower quantity of impurities in the working atmosphere. After baking, the evacuation is continued; cleaning of the chambers is considered acceptable for the start of a new deposition cycle when the pressure reaches a predetermined value, generally between about 10 <-7> and 10 <-9> mbar. In the case of PVD, the cleaning of the surface of the target is carried out by subjecting it to a treatment in which the same deposition operation used for the production phase is carried out, however discarding the substrates thus covered; this phase of conditioning the target is indicated in the sector with the English definition “bum-in”.
Con le attuali tecnologie, la fase di pompaggio per riportare la pressione della camera da circa 1000 a circa 10<-8 >mbar, richiede tempi variabili tra circa 4 e 12 ore; per la fase di bum-in sono necessari tempi variabili tra circa mezz’ora e 4 ore. Queste due fasi preparatorie sono indispensabili per ottenere dispositivi di elevata qualità, ma costituiscono tempi morti ai fini produttivi. With current technologies, the pumping phase to bring the chamber pressure back from about 1000 to about 10 <-8> mbar, requires times varying between about 4 and 12 hours; for the bum-in phase, times varying between about half an hour and 4 hours are required. These two preparatory phases are essential to obtain high quality devices, but they constitute downtime for production purposes.
Scopo della presente invenzione è di fornire un metodo per aumentare la produttività dei processi di deposizione di strati sottili su substrato, così come di fornire un dispositivo getter per la realizzazione del metodo. The object of the present invention is to provide a method for increasing the productivity of the processes of deposition of thin layers on a substrate, as well as to provide a getter device for carrying out the method.
Questi scopi vengono ottenuti secondo la presente invenzione, che in suo primo aspetto riguarda un metodo per aumentare la produttività di processi di deposizione di strati sottili consistente in: These objects are achieved according to the present invention, which in its first aspect relates to a method for increasing the productivity of thin layer deposition processes consisting of:
- introdurre un dispositivo getter nella camera di trattamento, prima o durante l’evacuazione della stessa, operando in modo tale che il dispositivo getter sia presente in forma attivata nella camera solo quando la pressione nella stessa ha raggiunto valori di 10<-3 >mbar o inferiori; - introduce a getter device into the treatment chamber, before or during its evacuation, operating in such a way that the getter device is present in the activated form in the chamber only when the pressure in the same has reached values of 10 <-3> mbar or lower;
- proseguire l’evacuazione della camera, mantenendo nella stessa il dispositivo getter attivato, fino al raggiungimento della pressione necessaria per l' inizio del processo produttivo; e - continue evacuating the chamber, keeping the getter device activated in it, until the pressure necessary for the start of the production process is reached; And
- rimuovere il dispositivo getter dalla camera impiegando le attrezzature e procedure automatizzate di movimentazione dei substrati impiegate in produzione. - remove the getter device from the chamber using the automated substrate handling equipment and procedures used in production.
In una variante del processo dell’invenzione, è possibile mantenere il dispositivo getter nella camera anche dopo il raggiungimento della pressione necessaria all’inizio della produzione, durante l’effettuazione di alcune operazioni preparatorie alle operazioni produttive vere e proprie. In a variant of the process of the invention, it is possible to keep the getter device in the chamber even after reaching the necessary pressure at the start of production, while carrying out some preparatory operations for the actual production operations.
L’invenzione verrà descritta nel seguito in alcuni suoi esempi realizzativi con riferimento ai disegni in cui: The invention will be described below in some of its implementation examples with reference to the drawings in which:
- le Figg. da 1 a 4 rappresentano, in forma di diagramma di flusso, alcuni possibili modi alternativi di realizzazione dèi metodo dell’invenzione; - Figs. 1 to 4 represent, in the form of a flow chart, some possible alternative ways of implementing the method of the invention;
- le Figg. da 5 a 7 mostrano alcune forme possibili di dispositivi getter dell’ invenzione. - Figs. 5 to 7 show some possible forms of getter devices of the invention.
L’impiego di materiali e dispositivi getter all’ interno delle camere di deposizione di strati sottili è già descritto nella domanda di brevetto EP-A-693626, nelle pubblicazioni di domanda di brevetto internazionale WO 96/13620 e WO 97/17542 e nel brevetto US 5.778.682. In tutti questi documenti vengono però descritti sistemi getter che rimangono nella camera anche durante il processo produttivo. L’uso di sistemi getter secondo questi documenti differisce dal metodo dell’invenzione, in quanto richiedono modificazioni sostanziali della configurazione delle camere di processo, in particolare per prevedere appositi sistemi di riscaldamento per l' attivazione e il funzionamento dei materiali getter. La domanda di brevetto italiana MI97A 002862, a nome della richiedente, descrive un ulteriore impiego di sistemi getter in processi di PVD: anche in questo caso, però,' il sistema getter rimane nella camera durante il processo. The use of getter materials and devices inside the thin layer deposition chambers is already described in the patent application EP-A-693626, in the international patent application publications WO 96/13620 and WO 97/17542 and in the patent US 5,778,682. However, all these documents describe getter systems which remain in the chamber also during the production process. The use of getter systems according to these documents differs from the method of the invention, as they require substantial changes to the configuration of the process chambers, in particular to provide for special heating systems for the activation and operation of the getter materials. The Italian patent application MI97A 002862, in the name of the applicant, describes a further use of getter systems in PVD processes: also in this case, however, the getter system remains in the chamber during the process.
Come noto i materiali getter per funzionare necessitano di un trattamento termico di attivazione, a temperature comprese tra circa 250 e 900°C e per tempi compresi tra pochi minuti e circa un’ora, in funzione della composizione chimica dello specifico materiale. I materiali getter non possono essere attivati, o esposti in forma già attivata, a gas atmosferici a pressioni superiori a circa 10<-3 >mbar, perché ciò porterebbe alla combustione del materiale. Di conseguenza, il metodo dell’invenzione prevede alcune possibili varianti realizzative, ma per tutte queste varianti è richiesto che il materiale getter sia esposto in forma attivata all’atmosfera della camera di trattamento solo quando la pressione nella camera stessa è inferiore al valore prima citato. Ciò può essere realizzato introducendo un getter preattivato (per esempio proveniente da una camera di trasferimento) nella camera di trattamento solo durante l’evacuazione, quando la pressione ha raggiunto il valore desiderato, oppure introducendo lo in camera in forma inattivata a pressioni superiori, ed attivandolo solo al raggiungimento della pressione sopra indicata. As known, the getter materials to function require an activation heat treatment, at temperatures between about 250 and 900 ° C and for times between a few minutes and about an hour, depending on the chemical composition of the specific material. The getter materials cannot be activated, or exposed in an already activated form, to atmospheric gases at pressures higher than about 10 <-3> mbar, because this would lead to the combustion of the material. Consequently, the method of the invention provides for some possible implementation variants, but for all these variants it is required that the getter material be exposed in activated form to the atmosphere of the treatment chamber only when the pressure in the chamber itself is lower than the value mentioned above. . This can be achieved by introducing a pre-activated getter (for example from a transfer chamber) into the treatment chamber only during evacuation, when the pressure has reached the desired value, or by introducing it into the chamber in an inactivated form at higher pressures, and activating it only when the pressure indicated above is reached.
Nelle figure da 1 a 4 vengono illustrati, in forma di diagramma di flusso, alcuni possibili modi alternativi di realizzazione del metodo dell’ invenzione. Figures 1 to 4 illustrate, in the form of a flow chart, some possible alternative ways of implementing the method of the invention.
Con riferimento alla figura 1, dopo ogni apertura della camera, questa viene richiusa e viene iniziata l’evacuazione della stessa (fase 1); per l’evacuazione si impiegano generalmente prima pompe meccaniche da basso vuoto (per esempio, rotative) ed in seguito, quando la pressione in camera è a valori di circa 1 - 10<-2 >mbar, pompe da medio ed alto vuoto, come per esempio pompe turbomolecolari o criogeniche. Quando la pressione ha raggiunto valori di 10<-3 >mbar o inferiori, e sempre sotto pompaggio, il dispositivo getter viene prelevato dalla cassetta e portato nella camera di processo (fase 2) tramite le stesse attrezzature e procedure di movimentazione automatizzate impiegate per il trasporto dei substrati durante le operazioni produttive; il dispositivo getter viene così posizionato nella stessa zona, definita nel seguito di deposizione, normalmente occupata dai substrati durante la produzione degli strati sottili. Questa è generalmente costituita da un portacampioni sorretto da un piedestallo, eventualmente mobile, che posiziona il substrato all’ incirca al centro della camera. E generalmente prevista nelle camere di deposizione di strati sottili la possibilità di riscaldare la zona di deposizione: infatti, il riscaldamento del substrato durante le fasi produttive permette di ottenere strati sottili più omogenei; inoltre, durante le fasi iniziali di evacuazione è necessario poter riscaldare il piedestallo per permettere il suo degasaggio. Allo scopo, sono previsti mezzi di riscaldamento interni al piedestallo, come per esempio resistenze elettriche, oppure lampade infrarosse che riscaldano la zona di deposizione dall’interno della camera o dall’esterno della stessa, attraverso finestre in quarzo. With reference to Figure 1, after each opening of the chamber, it is closed again and the evacuation of the same is started (phase 1); for evacuation, mechanical low vacuum pumps are generally used first (for example, rotary) and then, when the pressure in the chamber is at values of about 1 - 10 <-2> mbar, medium and high vacuum pumps, such as for example turbomolecular or cryogenic pumps. When the pressure has reached values of 10 <-3> mbar or lower, and still under pumping, the getter device is taken from the box and taken to the process chamber (phase 2) using the same automated equipment and handling procedures used for the transport of substrates during production operations; the getter device is thus positioned in the same zone, defined below as deposition, normally occupied by the substrates during the production of the thin layers. This generally consists of a sample holder supported by a pedestal, possibly mobile, which positions the substrate approximately in the center of the chamber. The possibility of heating the deposition area is generally foreseen in the deposition chambers of thin layers: in fact, the heating of the substrate during the production phases allows to obtain more homogeneous thin layers; moreover, during the initial evacuation phases it is necessary to be able to heat the pedestal to allow its degassing. For this purpose, heating means are provided inside the pedestal, such as electric resistances, or infrared lamps that heat the deposition area from inside the chamber or from outside it, through quartz windows.
Il dispositivo getter, posizionato nella zona di deposizione, viene sottoposto ad un trattamento termico di attivazione (fase 3) a temperature comprese tra circa 300 a 700 °C per tempi compresi tra circa 10 minuti ed un’ora a seconda del materiale getter impiegato, tramite i mezzi previsti per il riscaldamento dei substrati. The getter device, positioned in the deposition area, is subjected to an activation heat treatment (phase 3) at temperatures between about 300 and 700 ° C for times between about 10 minutes and an hour depending on the getter material used. by means provided for heating the substrates.
Il dispositivo getter così attivato aumenta la velocità del pompaggio successivo della camera fino alla pressione necessaria per l’inizio del processo produttivo, generalmente di circa 10<- >mbar, e migliora la pressione base del sistema dovuta al degasaggio residuo delle pareti. The getter device thus activated increases the speed of the subsequent pumping of the chamber up to the pressure necessary for the start of the production process, generally of about 10 <-> mbar, and improves the base pressure of the system due to the residual degassing of the walls.
A questo punto il dispositivo getter viene rimosso dalla camera (fase 4), impiegando i mezzi e le procedure di movimentazione usate in produzione per il trasporto dei substrati, e si dà inizio al processo produttivo introducendo nella camera i substrati di produzione. At this point the getter device is removed from the chamber (phase 4), using the handling means and procedures used in production for the transport of the substrates, and the production process is started by introducing the production substrates into the chamber.
La figura 2 illustra un possibile modo alternativo di realizzazione del metodo dell’invenzione. Dopo l’inizio dell’evacuazione (fase 5), al raggiungimento della pressione di 10 mbar nella camera viene introdotto un dispositivo getter preattivato (fase 6); il dispositivo può per esempio essere attivato in un’altra camera di trattamento, come una camera prevista per il preriscaldamento dei substrati di produzione. In seguito, al raggiungimento della pressione desiderata per l’inizio delle operazioni produttive, il dispositivo getter viene rimosso dalla camera (fase 7). Figure 2 illustrates a possible alternative way of implementing the method of the invention. After the start of the evacuation (phase 5), upon reaching the pressure of 10 mbar in the chamber, a pre-activated getter device is introduced (phase 6); the device can for example be activated in another treatment chamber, such as a chamber provided for preheating the production substrates. Later, upon reaching the desired pressure for the start of production operations, the getter device is removed from the chamber (phase 7).
La figura 3 illustra ancora un altro possibile modo alternativo di realizzazione del metodo dell’invenzione. In questo caso il dispositivo getter viene introdotto nella camera (fase 8) prima dell’inizio della fase di evacuazione (fase 9); in questo caso, il dispositivo getter può essere introdotto in camera subito dopo la sua chiusura, facendo ricorso ai mezzi di movimentazione automatizzati del sistema, o anche manualmente prima di tale chiusura. Quando la pressione in camera ha raggiunto valori di 10<-3 >mbar o inferiori, il dispositivo viene attivato per riscaldamento a temperature comprese tra circa 300 e 700 °C, facendo ricorso ai mezzi e alle procedure impiegate in produzione per il riscaldamento dei substrati (fase 10). In seguito si continua l’evacuazione, con il dispositivo getter attivato presente in camera, fino al raggiungimento della pressione desiderata per l' inizio dei processi produttivi, raggiunta la quale il dispositivo getter viene rimosso dalla camera (fase 11 ) e si inizia il processo produttivo. Figure 3 illustrates yet another possible alternative way of implementing the method of the invention. In this case, the getter device is introduced into the chamber (phase 8) before the start of the evacuation phase (phase 9); in this case, the getter device can be introduced into the chamber immediately after its closure, by resorting to the automated handling means of the system, or even manually before such closure. When the pressure in the chamber has reached values of 10 <-3> mbar or lower, the device is activated by heating at temperatures between about 300 and 700 ° C, using the means and procedures used in production for heating the substrates (step 10). Then the evacuation continues, with the activated getter device present in the chamber, until the desired pressure is reached for the start of the production processes, when the getter device is removed from the chamber (phase 11) and the process begins. productive.
Infine, quando il processo preveda fasi preparatorie a quelle produttive vere e proprie, è anche possibile durante le prime mantenere il dispositivo getter all’interno della camera. Questa possibilità è rappresentata in figura 4: secondo questa forma di realizzazione del metodo dell’ invenzione, vengono ripetute le fasi iniziali di uno qualunque dei metodi descritti con riferimento alle figure da 1 a 3 ma, al raggiungimento del livello di vuoto desiderato, viene realizzata una fase (12) preparatoria alla produzione prima della rimozione del dispositivo getter dalla camera (fase 13). Un esempio di processi di questo tipo è rappresentato dai processi PVD in cui, dopo l’evacuazione della camera a pressioni inferiori a circa 10<-7 >- 10<-8 >mbar, viene in genere realizzata l’operazione di bum-in prima descritta, immettendo in camera argon ad una pressione di 10<- >mbar e simulando un processo produttivo. In queste condizioni il dispositivo getter viene ricoperto dal materiale del target e perde rapidamente la sua efficienza di assorbimento di gas; d’altra parte, l’azione di assorbimento di gas è ancora presente nella prima parte del trattamento, contribuendo alla pulizia dell’atmosfera di lavoro, ed in ogni caso la presenza del dispositivo getter fa risparmiare un’operazione di trasferimento di un substrato dalla cassetta alla camera. Finally, when the process includes preparatory phases for the actual production ones, it is also possible during the first ones to keep the getter device inside the chamber. This possibility is represented in figure 4: according to this embodiment of the method of the invention, the initial steps of any of the methods described with reference to figures 1 to 3 are repeated but, when the desired vacuum level is reached, it is carried out. a step (12) preparatory to production before removing the getter device from the chamber (step 13). An example of processes of this type is represented by PVD processes in which, after the evacuation of the chamber at pressures lower than about 10 <-7> - 10 <-8> mbar, the bum-in operation is generally carried out. described above, introducing argon into the chamber at a pressure of 10 <-> mbar and simulating a production process. Under these conditions the getter device is covered by the target material and rapidly loses its gas absorption efficiency; on the other hand, the gas absorption action is still present in the first part of the treatment, contributing to the cleaning of the working atmosphere, and in any case the presence of the getter device saves a transfer operation of a substrate from the box to the room.
In un suo secondo aspetto, l’invenzione riguarda i dispositivi getter per la realizzazione del metodo precedentemente descritto. In a second aspect, the invention relates to getter devices for carrying out the method described above.
Come detto, i dispositivi getter dell’invenzione vengono caricati nelle stesse cassette dei substrati impiegati in produzione, e vengono movimentati dalle stesse attrezzature automatizzate che movimentano detti substrati. Allo scopo, i dispositivi getter devono avere essenzialmente le stesse dimensioni dei substrati di produzione; infatti, dispositivi getter di dimensioni maggiori non potrebbero essere posizionati nelle cassette e potrebbero non passare attraverso le valvole che chiudono le camere di trasferimento, mentre dispositivi getter di dimensioni inferiori ai substrati potrebbero non essere afferràbili dalle attrezzature automatizzate di movimentazione. Un altro motivo per impiegare dispositivi getter delle stesse dimensioni dei substrati è che ciò massimizza la superfìcie a disposizione per il materiale getter, e quindi le proprietà di assorbimento di gas del dispositivo. I dispositivi getter dell’ invenzione possono di conseguenza avere spessori compresi tra circa 0,5 e 5 millimetri, e dimensioni laterali variabili tra circa 10 e 100 centimetri; per fare alcuni esempi, nel caso degli ICs si avranno dispositivi essenzialmente rotondi, di spessore tra circa 0,5 e 1 mm e diametro variabile tra circa 150 e 300 mm, mentre nel caso della produzione di schermi piatti i dispositivi sono generalmente rettangolari, con spessori tra circa 1 e 5 mm e dimensioni laterali variabili tra 10 cm e un metro. As mentioned, the getter devices of the invention are loaded into the same cassettes as the substrates used in production, and are moved by the same automated equipment that handles said substrates. For this purpose, the getter devices must have essentially the same dimensions as the production substrates; in fact, larger getter devices could not be positioned in the cassettes and could not pass through the valves that close the transfer chambers, while getter devices smaller than the substrates could not be grasped by the automated handling equipment. Another reason for using getter devices of the same size as the substrates is that this maximizes the available surface area for the getter material, and hence the gas absorption properties of the device. The getter devices of the invention can consequently have thicknesses between about 0.5 and 5 millimeters, and lateral dimensions varying between about 10 and 100 centimeters; to give some examples, in the case of ICs there will be essentially round devices, with a thickness between about 0.5 and 1 mm and a variable diameter between about 150 and 300 mm, while in the case of the production of flat screens the devices are generally rectangular, with thicknesses between about 1 and 5 mm and lateral dimensions varying between 10 cm and one meter.
I dispositivi getter dell’invenzione possono essere costituiti da solo materiale getter, per esempio da polveri sinterizzate. Data però la loro particolare geometria, con dimensioni laterali molto maggiori dello spessore, corpi sinterizzati di sole polveri potrebbero risultare meccanicamente poco resistenti, dando luogo, in seguito ad eventuali rotture, a parti non più movimentabili dalle attrezzature automatizzate, e alla presenza di frammenti o polveri nelle camere di processo. The getter devices of the invention can consist of only getter material, for example from sintered powders. However, given their particular geometry, with lateral dimensions much greater than the thickness, sintered bodies of powders alone could be mechanically not very resistant, giving rise, following any breakages, to parts that can no longer be handled by the automated equipment, and to the presence of fragments or powders in the process chambers.
Di conseguenza, è preferibile impiegare dispositivi getter costituiti da uno strato di materiale getter depositato su un supporto, che conferisce la necessaria resistenza meccanica. Per il supporto è possibile impiegare qualunque materiale su cui i materiali getter abbiano una buona adesione, e che presenti buone caratteristiche di resistenza meccanica e di resistenza alle condizioni a cui i dispositivi devono venire sottoposti nelle camere, in particolare al trattamento di attivazione del materiale getter. E anche preferibile che il materiale del supporto non rilasci quantità elevate di gas sotto vuoto e alle temperature raggiunte durante l’attivazione, per non contribuire in modo sensibile alla quantità di gas presenti in camera. I materiali che meglio soddisfano queste condizioni sono i metalli e leghe metalliche, per esempio acciaio, titanio, leghe nichel-cromo, oppure silicio, ceramiche o vetro. Consequently, it is preferable to use getter devices consisting of a layer of getter material deposited on a support, which confers the necessary mechanical strength. For the support it is possible to use any material on which the getter materials have good adhesion, and which has good characteristics of mechanical strength and resistance to the conditions to which the devices must be subjected in the chambers, in particular to the activation treatment of the getter material. . It is also preferable that the material of the support does not release high amounts of gas under vacuum and at the temperatures reached during activation, in order not to significantly contribute to the amount of gas present in the chamber. The materials that best satisfy these conditions are metals and metal alloys, for example steel, titanium, nickel-chromium alloys, or silicon, ceramics or glass.
I dispositivi costituiti da materiale getter su un supporto possono avere il deposito su entrambe o una sola delle facce. In alcuni processi di deposizione di strati sottili, i substrati vengono movimentati all’ interno del sistema in posizione verticale, a contatto solo con una guida che li sorregge per una parte del bordo e con le due facce essenzialmente libere: un esempio è la produzione dei dischi rigidi di computer, che sono ricoperti di materiale magnetico per la memorizzazione di informazioni su entrambe la facce. In questo caso è preferibile il ricorso a dispositivi con materiale getter depositato su entrambe le facce, il che consente di massimizzare la superficie di materiale attivo. Nel caso viceversa che l’impiego previsto sia in camere in cui il substrato viene trattato in posizione orizzontale, con una faccia appoggiata su un portacampioni, i dispositivi da impiegare presentano preferibilmente il deposito di materiale getter su una sola faccia; in questa configurazione infatti un eventuale deposito di materiale getter sulla faccia a contatto col portacampioni comporterebbe la possibilità di perdita di particelle sullo stesso senza comunque contribuire alla rimozione di gas. Esempi di processi che adottano questa configurazione del substrato sono la produzione di ICs e di CD. The devices made of getter material on a support can have the deposit on both or only one of the faces. In some processes of deposition of thin layers, the substrates are moved inside the system in a vertical position, in contact only with a guide that supports them for a part of the edge and with the two essentially free faces: an example is the production of computer hard drives, which are coated with magnetic material for storing information on both sides. In this case it is preferable to use devices with getter material deposited on both faces, which allows to maximize the surface of active material. If, on the other hand, the intended use is in chambers in which the substrate is treated in a horizontal position, with one face resting on a sample holder, the devices to be used preferably have the deposit of getter material on one face only; in fact, in this configuration a possible deposit of getter material on the face in contact with the sample holder would entail the possibility of particle loss thereon without in any case contributing to the removal of gas. Examples of processes that adopt this substrate configuration are the production of ICs and CDs.
In entrambi i casi, può anche risultare preferibile che la superficie del supporto non sia ricoperta completamente con il materiale getter, ma che almeno una parte del bordo del supporto rimanga libero dal deposito Ciò evita che il dispositivo getter possa perdere particelle per sfregamento sia quando questo è nella cassetta portasubstrati, in cui viene mantenuto in posizione verticale da apposite linguette, sia quando viene movimentato dai mezzi automatizzati presenti nelle camere di processo, che possono comprendere pinze che afferrano i substrati per il bordo. In both cases, it may also be preferable that the surface of the support is not completely covered with the getter material, but that at least a part of the edge of the support remains free from the deposit This prevents the getter device from losing particles by rubbing both when this it is in the substrate-holder box, in which it is kept in a vertical position by special tabs, and when it is moved by the automated means present in the process chambers, which may include grippers that grip the substrates by the edge.
Le figure da 5 a 7 riportano alcuni esempi di possibili dispositivi getter dell’ invenzione. Figures 5 to 7 show some examples of possible getter devices of the invention.
La figura 5 rappresenta in spaccato un dispositivo getter 50 adatto, all’impiego nei sistemi di produzione dei dischi rigidi dei computer. Il dispositivo è costituito da un supporto 51 di forma circolare, ricoperto su entrambe le facce da depositi 52, 52’ di materiale getter; i depositi 52, 52’ non ricoprono completamente le facce del supporto, ma lasciano libere due zone, 53 e 53’, corrispondenti al bordo del supporto su entrambe le facce. Un dispositivo di questo tipo viene movimentato in posizione verticale all’interno di un sistema di processo, tramite sistemi automatizzati terminanti con pinze che tengono il dispositivo per il bordo. Figure 5 shows a cut-away view of a getter device 50 suitable for use in computer hard disk production systems. The device consists of a circular support 51, covered on both faces by deposits 52, 52 'of getter material; deposits 52, 52 'do not completely cover the faces of the support, but leave two areas free, 53 and 53', corresponding to the edge of the support on both faces. A device of this type is moved in a vertical position within a process system, through automated systems ending with pliers that hold the device by the edge.
La figura 6 rappresenta un dispositivo getter 60 adatto all’impiego nei sistemi per la produzione di circuiti integrati. Viene esemplificato il caso in cui come supporto, 61, viene impiegato un substrato di produzione, costituito da una “fetta” di silicio mono cristallino; questi substrati hanno forma essenzialmente circolare a meno di una parte sottesa da un arco, che permette di riconoscere e mantenere costante l’orientamento del substrato nel sistema di processo. Su una sola faccia, 62, del supporto 61, è presente il deposito 63 di materiale getter; il deposito lascia libero un bordo, 64, della faccia 62, per gli scopi descritti in precedenza. Figure 6 represents a getter device 60 suitable for use in systems for the production of integrated circuits. An example is the case in which as support 61 a production substrate is used, consisting of a "slice" of mono crystalline silicon; these substrates have an essentially circular shape with the exception of a part subtended by an arc, which allows to recognize and maintain constant the orientation of the substrate in the process system. On only one face, 62, of the support 61, there is the deposit 63 of getter material; the deposit leaves an edge, 64, of the face 62 free, for the purposes described above.
Infine, la figura 7 rappresenta un dispositivo getter 70 adatto all’impiego nei sistemi di produzione di schermi piatti. Π dispositivo è costituito da un supporto 71 ricoperto su una sola faccia, 72, da un deposito 73 di materiale getter, che lascia scoperto un bordo 74 del supporto. Finally, figure 7 represents a getter device 70 suitable for use in flat screen production systems. The device consists of a support 71 covered on one side only, 72, by a deposit 73 of getter material, which leaves an edge 74 of the support uncovered.
I materiali getter che si possono impiegare per la produzione dei dispositivi dell’invenzione sono i più vari, e comprendono per esempio metalli quali Zr, Ti, Nb, Ta, V; le leghe tra questi metalli o tra questi ed uno o più altri elementi scelti tra Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Y, La e Teire Rare, come le leghe binarie Ti-V, Zr-V, Zr-Fe e Zr-Ni o leghe ternarie Zr-Mn-Fe o Zr-V-Fe; miscele tra i metalli e le leghe precedentemente indicati. Materiali getter adatti allo scopo sono la lega prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 787™ ed avente composizione percentuale in peso Zr 80,8% - Co 14,2% - A 5%, dove con A è indicato un elemento qualunque scelto tra ittrio, lantanio, Terre Rare o miscele di questi elementi; la lega di composizione percentuale in peso Zr 84% - Al 16%, prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 101<®>; la lega di composizione percentuale in peso Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%, prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 707™; oppure miscele meccaniche tra le ultime due leghe citate ed i metalli Zr o Ti; queste miscele sono preferibili per le loro buone caratteristiche meccaniche, con particolare riguardo alla perdita di particelle. Particolarmente adatti agli scopi dell’invenzione sono i dispositivi realizzati con la miscela prodotta e venduta dalla richiedente con il nome St 121™, costituita per il 70% in peso da polveri di titanio e per il 30% in peso da polveri di lega St 101<®>. The getter materials that can be used for the production of the devices of the invention are the most varied, and include for example metals such as Zr, Ti, Nb, Ta, V; alloys between these metals or between these and one or more other elements chosen from Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Y, La and Teire Rare, such as binary alloys Ti-V, Zr-V, Zr-Fe and Zr-Ni or Zr-Mn-Fe or Zr-V-Fe ternary alloys; mixtures between the metals and alloys indicated above. Getter materials suitable for the purpose are the alloy produced and sold by the applicant with the name St 787 ™ and having a percentage composition by weight of Zr 80.8% - Co 14.2% - A 5%, where A indicates any chosen element including yttrium, lanthanum, rare earths or mixtures of these elements; the alloy of composition by weight Zr 84% - Al 16%, produced and sold by the applicant under the name St 101 <®>; the alloy with percentage composition by weight Zr 70% - V 24.6% - Fe 5.4%, produced and sold by the applicant under the name St 707 ™; or mechanical mixtures between the last two alloys mentioned and the metals Zr or Ti; these mixtures are preferable for their good mechanical characteristics, with particular regard to the loss of particles. Particularly suitable for the purposes of the invention are the devices made with the mixture produced and sold by the applicant under the name St 121 ™, consisting of 70% by weight of titanium powders and 30% by weight of St 101 alloy powders. <®>.
Dispositivi getter costituiti da uno strato di materiale getter su un supporto possono essere ottenuti secondo varie tecniche diverse. Una prima possibilità è di depositare Io strato sul supporto con la tecnica PVD. La preparazione di dispositivi getter con la tecnica PVD è descritta per esempio nella pubblicazione di domanda di brevetto internazionale WO 97/49109. Questa tecnica offre il vantaggio di poter depositare materiale getter su molti tipi di supporti, compresi vetro e ceramiche, ma lo strato di materiale getter ottenuto è poco poroso e il dispositivo risultante è quindi adatto quando si prevedono limitati carichi gassosi da assorbire. Per ottenere maggiori superfici attive a parità di dimensioni del dispositivo è preferibile depositare sul supporto polveri del materiale getter. Le deposizione di polveri può essere realizzata per laminazione a freddo; questa tecnica è ampiamente nota nel campo della tecnologia delle polveri, ma può essere impiegata solo con supporti metallici. Un’altra possibilità è quella di spruzzare una sospensione di particelle getter in opportuno solvente sul supporto mantenuto caldo, come descritto nella domanda di brevetto WO 95/23425, a cui si rimanda per i dettagli di questa tecnica. Ancora, il supporto può essere ricoperto di particelle di materiale getter con la tecnica elettroforetica. In questo caso è richiesto che il supporto sia elettricamente conduttore: per i dettagli di questa tecnica si rimanda al brevetto US 5.242.559. Infine, la deposizione di polveri di materiale getter sul supporto può essere realizzata con tecnica serigrafica, come descritto nella pubblicazione di domanda di brevetto internazionale WO 98/03987. La tecnica serigrafica è particolarmente vantaggiosa, in quanto permette di depositare materiale getter su supporti di varia natura (metalli, silicio, vetro, ...) e di ottenere depositi sagomati, facilitando così per esempio la produzione dei dispositivi getter esemplificati nelle figure da 4 a 6, in cui una parte della superficie del supporto è libera dal deposito. Getter devices consisting of a layer of getter material on a support can be obtained according to various different techniques. A first possibility is to deposit the layer on the support with the PVD technique. The preparation of getter devices with the PVD technique is described for example in the international patent application publication WO 97/49109. This technique offers the advantage of being able to deposit getter material on many types of substrates, including glass and ceramics, but the layer of getter material obtained is not very porous and the resulting device is therefore suitable when limited gaseous loads to be absorbed are expected. To obtain greater active surfaces with the same dimensions of the device, it is preferable to deposit on the support powders of the getter material. The deposition of powders can be carried out by cold rolling; this technique is widely known in the field of powder technology, but can only be used with metal supports. Another possibility is to spray a suspension of getter particles in a suitable solvent on the support kept hot, as described in patent application WO 95/23425, to which reference is made for the details of this technique. Furthermore, the support can be coated with particles of getter material with the electrophoretic technique. In this case, the support is required to be electrically conductive: for the details of this technique, see US patent 5,242,559. Finally, the deposition of powders of getter material on the support can be carried out with the screen printing technique, as described in the international patent application publication WO 98/03987. The screen printing technique is particularly advantageous, as it allows to deposit getter material on various types of supports (metals, silicon, glass, ...) and to obtain shaped deposits, thus facilitating for example the production of the getter devices exemplified in figures 4 to 6, in which a part of the surface of the support is free from the deposit.
Il metodo dell’ invenzione è facilmente implementabile in tutti i processi di deposizione noti in quanto impiega, per il trasposto del dispositivo getter dentro e fuori dalla camera, gli stessi mezzi di movimentazione dei substrati, mentre per l’attivazione del dispositivo getter impiega gli stessi mezzi di riscaldamento del substrato già normalmente presenti nella camera; il metodo non richiede quindi la predisposizione di apposite attrezzature. Inoltre, la realizzazione del metodo viene effettuata durante le normali fasi preparatorie dei processi di deposizione, non richiedendo quindi modificazioni sostanziali, e in particolare prolungamenti, di queste fasi. The method of the invention can be easily implemented in all known deposition processes since it uses, for the transposition of the getter device into and out of the chamber, the same means for moving the substrates, while for the activation of the getter device it uses the same means. substrate heating means already normally present in the chamber; the method therefore does not require the preparation of special equipment. Furthermore, the implementation of the method is carried out during the normal preparatory phases of the deposition processes, thus not requiring substantial modifications, and in particular extensions, of these phases.
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